音響印刷：音波があらゆる液体から精密な液滴を生成

音響力学印刷は音波を利用してあらゆる液体から液滴を生成します。
この技術は液体の粘度や組成に影響されません。
液滴サイズは音波振幅に反比例：振幅が低いほど大きな液滴になります。
用途はバイオ医薬品、化粧品、食品、先進材料にわたります。

家庭用印刷の進化は 1930 年代に遡ります。今日、液体インクジェットとレーザープリンターは、低コストで高速、省エネ、高品質なカラー出力を提供しています。

最も普及している液滴形成手法であるインクジェット技術は、水の少なくとも 10 倍の粘度を持つ液体に限定されます。レーザー誘起前方転写とバルブベース印刷は、ノズルサイズ、基板距離、粘度によってスループットがさらに制約されます。温度と時間で特性が変化するインクごとにこれらのパラメータを調整するのは困難です。

バイオプリントに不可欠な多くの流体——バイオポリマー、糖分豊富なゲル——は水の 100 倍を超える粘度を示し、中にはハチミツ並み (約水の 25,000 倍) のものもあります。これらの高粘度は従来の印刷を妨げてきました。

ハーバード大学の研究者たちは、これらの制約を克服する音響ベースの手法を開発しました。ノズル先端で高度に閉じ込められた音響場を生成することで、流体特性に関わらずオンデマンドで液滴を生成できます。

仕組み

重力だけでは液滴サイズを制御できません。水道から水が数秒で滴るのに対し、ピッチ (水の 2,000 億倍の粘度) は 10 年で 1 滴しか落ちません。ハーバードチームは音波を用いて液滴形成を制御しました。音響浮揚は長らく重力を打ち消す能力を示してきましたが、ここでは重力を「助ける」ために使用され、このプロセスを音響力学印刷 (acoustophoretic printing) と呼びます。

音響印刷：音波があらゆる液体から精密な液滴を生成 Credit: Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/Harvard University

サブ波長音響共振器がノズル先端で重力の 100 倍 (1g) ——太陽の重力の 4 倍——の音響場を供給します。液滴が臨界サイズに達すると、音響力がノズルから液滴を引き出し、目標位置へ飛ばします。重要なのは、液滴サイズが波の振幅で決まり、液体の粘度に依存しないことです。

参照：Science Advances | doi:10.1126/sciadv.aat1659 | Harvard University

テストと応用

音響印刷：音波があらゆる液体から精密な液滴を生成 Credit: Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/Harvard University

この手法は、バイオポリマー、ハチミツ、光学レジン、幹細胞インク、液体金属など多様な材料で検証されました。音波は液滴を貫通できないため、タンパク質や生きた細胞など繊細な生体分子の完全性を保持します。

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研究者たちは、音響力学印刷が化粧品、バイオ医薬品、食品の生産に革命をもたらし、導電性材料と光学材料の用途を拡大すると期待しています。

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